Расчет обмоток трансформатора и его сердечника

  • 26-01-2015
  • 47
  • 1183

Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Схема намотки сварочного трансформатора

Схема намотки сварочного трансформатора.

Как рассчитать и намотать обмотки трансформатора, каким может быть его сердечник, каковы особенности конструкции трансформаторов различного назначения, как они работают — вопросы, которые могут заинтересовать многих. Ниже предлагаются ответы на большинство этих вопросов.

Что представляет собой трансформатор?

Вернуться к оглавлению

Немного истории

В 70-х годах XIX века русский ученый П.Н. Яблочков изобрел электродуговой источник света — «свечу Яблочкова». Первоначально источниками питания дуги служили мощные гальванические батареи, но аноды в этом случае сгорали быстрее. Тогда ученый решил использовать в качестве источника тока для своего изобретения генератор переменного тока.

В этом случае возникало другое затруднение: после того как зажигалась одна электрическая свеча, из-за уменьшения напряжения на зажимах генератора возгорание других светильников было затруднено. Задача была решена, когда для питания каждого источника света был применен свой трансформатор. Эти первые трансформаторы имели незамкнутые сердечники из пучков стальной проволоки и, как следствие, обладали низким КПД. Трансформаторы с замкнутыми сердечниками, подобные современным, появились лишь спустя 9 лет.

Вернуться к оглавлению

Как устроен и как работает трансформатор?

Схема самого простого трансформатора

Рисунок 1. Схема самого простого трансформатора.

Самый простой трансформатор — это сердечник из вещества с большой магнитной проницаемостью и две намотанных на него обмотки (рис. 1а). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I1 в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I2 = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

U1 / U2 ≈ N1 / N2, где

N1 и N2 — число витков в обмотках.

Отношение U1 / U2 называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U1 > U2, трансформатор называют повышающим (рис. 1б), при U1 < U2 — понижающим (рис 1в). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим. Вторичная обмотка необязательно одна — их может быть и несколько. Из равенства мощностей в обмотках следует, что токи в них обратно пропорциональны числу витков:

I1 / I2 ≈ N2 / N1.

Если вторичная обмотка — составная часть первичной (или первичная — вторичной), трансформатор превращается в автотрансформатор. На рис. 1г и 1д показаны схемы, соответственно, понижающего и повышающего автотрансформаторов.

Конструкция трансформаторов для точечной сварки меди

Конструкция трансформаторов для точечной сварки меди.

Переменное магнитное поле вызывает появление в сердечнике вихревых токов, которые нагревают его, на что бесполезно тратится часть энергии. Чтобы уменьшить эти потери, сердечники набирают из отдельных, изолированных друг от друга листов специальной трансформаторной стали с малой энергией перемагничивания.

Чаще всего в современных трансформаторах используются магнитопроводы трех типов:

  1. Стержневые (П-образные), состоящие из двух стержней с обмотками и ярма, соединяющего их. Именно так обычно устроены сердечники мощных трансформаторов.
  2. Броневые (Ш-образные). Магнитопровод представляет собой ярмо, внутри которого находится стержень с обмоткой. Ярмо защищает каждую обмотку трансформатора от внешних воздействий — отсюда такое название. Чаще применяется в маломощных трансформаторах для электронных схем.
  3. Тороидальные — магнитопровод, имеющий форму тора, состоит из намотанной плотным рулоном трансформаторной ленты. Преимущества — относительно малый вес, высокий КПД, минимум помех. Недостаток — сложность намотки.
Вернуться к оглавлению

Как осуществить расчет трансформатора?

Сварочный трансформатор для дуговой сварки

Сварочный трансформатор для дуговой сварки.

Важнейшие параметры трансформатора — номинальные значения токов и напряжений и мощности, на которые он рассчитан. Абсолютная точность при расчетах характеристик трансформатора по этим параметрам особого значения не имеет, поэтому можно ограничиться приблизительными значениями.

Очередность расчетов выглядит следующим образом:

  1. Расчет тока через вторичную обмотку с учетом потерь: I2 = 1,5 * I, где I — номинальный ток в ней.
  2. Расчет мощности, снимаемой с вторичной обмотки: Р2 = U2 * I2, где U2 — напряжение на ней. Если такая обмотка не одна, то результат — сумма их мощностей.
  3. Определение результирующей мощности : РТ = 1,25 * P2 при КПД порядка 80%.
  4. Расчет силы тока через первичную обмотку трансформатора: I1 = PТ / U1, где U1 — напряжение на ней.
  5. Площадь требующегося сечения магнитопровода: S = 1,3 * √PТ, где S измеряется в см2.
  6. Количество витков для первичной обмотки трансформатора: N1 = 50 * U1 / S, где S измеряется в см2.
  7. Количество витков для его вторичной обмотки: N2 = 55 * U2 / S, где S измеряется в см2.
  8. Диаметр проводников любой из обмоток трансформатора: d = 0,632 * √I, где I — сила тока в ней. Формула верна для медного провода.

Например, вторичная обмотка трансформатора, включаемого в сеть напряжением 220 В, должна давать ток 6,7 А при напряжении 36 В. Рассчитать параметры трансформатора.

Основные части конструкции трансформатора

Основные части конструкции трансформатора.

  1. I2 = 1,5 *6,7 А = 10 А.
  2. P2 = 36 В * 10 А = 360 Вт.
  3. PТ = 1,25 *360 Вт = 450 Вт.
  4. I1 = 450 Вт / 220 В ≈ 2 А.
  5. S = 1,3 * √450 (см2) ≈ 25 см2.
  6. N1 = 50 * 220 / 25 = 440 витков.
  7. N2 = 55 * 36 / 25 = 79 витков.
  8. d1 = 0,632 * √2 (мм) = 0,9 мм, d1 = 0,632 * √10 (мм) = 2 мм.

Если провода нужного диаметра отсутствуют, то можно заменить один толстый провод несколькими более тонкими, соединенными параллельно. Площадь сечения проводника диаметром d можно рассчитать по формуле: s = 0,8 * d2.

Например, нужен провод диаметром 2 мм, а имеется только проводник диаметром 1,2 мм. Площадь сечения нужного провода s = 0,8 * 4 (мм2) = 3,2 мм2, площадь имеющегося, вычисленная по той же формуле, равна 1,1 мм2. Легко понять, что один проводник диаметром 2 мм можно заменить тремя с диаметром 1,2 мм.

Вернуться к оглавлению

Изготовление трансформатора

Процесс изготовления силового трансформатора складывается из ряда последовательных операций.

Вернуться к оглавлению

Сборка каркасов катушек для стержневого или броневого сердечника

Схема сборки каркаса для трансформатора

Рисунок 2. Схема сборки каркаса для трансформатора.

Довольно удобным материалом для сборки этих каркасов являются картон или прессшпан. Еще более крепкий каркас можно изготовить из пластика. Каркас в сборе изображен на рис. 2а. Он собран из деталей, изображенных на рисунках 2б-2г. Должно быть изготовлено по два экземпляра каждой детали. Дырочки в щечках (г) предназначены для выводов.

Порядок сборки каркаса:

  • две щечки накладываются друг на друга;
  • в их окна вкладываются детали (б) и разводятся, одна вверх, вторая вниз;
  • детали (в) устанавливаются так, чтобы их выступы совпали с выемками деталей (б).

Полученный каркас достаточно прочен и уже не рассыпается. Перед намоткой катушек заранее готовятся прокладки (рис. 2д) из полосок кабельной бумаги. Полоски аккуратно надрезаются по краям на глубину несколько мм. Эти надрезы, примыкая к щеткам, будут предохранять витки очередного слоя от проваливания в область предыдущего.

Вернуться к оглавлению

Намотка катушек

Схема петли для катушки

Рисунок 3. Схема петли для катушки.

Перед намоткой следует заготовить отрезки гибкого многожильного провода в термостойкой изоляции для выводов и отрезки термостойкого кембрика. Намотка производится так, чтобы провод укладывался виток к витку с некоторым натяжением. Последующие витки должны прижимать предыдущие. Чтобы предотвратить проваливание витков возле щечки, желательно очередной ряд не доматывать до нее на несколько мм, заполняя свободные участки шпагатом или нитками.

После окончания намотки каждого ряда натяжение провода должно сохраняться, чтобы при наложении прокладки из кабельной бумаги намотанная часть не распускалась. Такие прокладки должны укладываться после каждого слоя.

Если наматываемый провод тонкий, то к началу и концу обмотки, а также к отводам от нее аккуратно припаиваются заготовленные отрезки гибкого многожильного провода. Место спайки изолируется. Если обмоточный провод достаточно толстый, выводы и отводы (в виде петель) делаются из этого же провода. И на выводы, и на отводы следует надеть отрезки кембрика.

Петля (рис. 3а) пропускается сквозь отверстие сложенной вдвое полоски из плотной бумаги или хлопчатобумажной ленты, которую затягивают после того, как она прижата следующими витками (рис. 2б). Пример отвода от тонкого обмоточного провода показан на рис. 2в.

Примерно так же крепят концы обмотки из толстого провода, но используется только хлопчатобумажная лента. Схема закрепления начала обмотки показана на рис. 2г, ее конца — на рис. 2д.

И несколько слов о том, как намотать обмотку тороидального трансформатора. Обычно для их намотки используются самодельные челноки, на поверхность которых наматывается достаточный запас провода. Челнок с проводом должен проходить в отверстие тороидального магнитопровода.

Обод колеса велосипеда

Рисунок 4. Схема обода колеса велосипеда.

Гораздо проще осуществить намотку с помощью приспособления, основой которого является обод колеса велосипеда (рис. 4). Обод распиливается в одном месте, продевается в отверстие магнитопровода, после чего разрезанные части аккуратно соединяются. Затем на его внешнюю поверхность наматывается обмоточный провод необходимой длины с небольшим запасом. Для удобства обод может быть подвешен своей верхней частью на забитый гвоздь, штырь или какой-нибудь другой подходящий подвес. Намотанный провод удобно зафиксировать подходящим резиновым кольцом.

Обмотка наматывается за счет вращения обода. Завершив каждый оборот, следует передвинуть на соответствующее расстояние резиновое кольцо. Витки следует укладывать аккуратно, с натяжением. Выводы и отводы можно формировать так же, как у упомянутых выше катушек. Каждый слой и обмотка обязательно разделяются слоем изоляции. Поверх последнего слоя трансформатор обматывается киперной лентой и пропитывается лаком.

Вернуться к оглавлению

Окончание сборки трансформатора

Схема устройства однофазного трансформатора

Схема устройства однофазного трансформатора.

Когда катушки готовы, производится сборка стержневого или броневого сердечника. Следует постараться сделать как можно более узкими магнитные зазоры, для чего сборку следует производить вперекрышку. Продолжается она, пока не будет заполнено все окно. Заключительные пластины часто приходится забивать, используя деревянный молоток или прокладку из дерева.

По окончании сборки сердечник уплотняют, обжимая обоймой или стягивая, если в пластинах имеются соответствующие отверстия, шпильками, которые изолируются от сердечника картонными трубками или несколькими слоями бумаги. На концы шпилек надеваются электроизоляционные и обычные шайбы и навинчиваются гайки, которыми стягивается сердечник. Плохо обжатый сердечник будет сильно гудеть и вибрировать.

Вернуться к оглавлению

Проверка изготовленного трансформатора

Схема станка для намотки трансформаторов

Схема станка для намотки трансформаторов.

Прежде всего следует, воспользовавшись мегомметром, измерить сопротивление между отдельными обмотками, а также между сердечником и обмотками. Оно не должно быть менее 0,5 Мом. Если мегомметра нет, можно оценить эти сопротивления обычным авометром. Он должен показывать бесконечность.

После проверки изоляции на первичную обмотку трансформатора подается напряжение, равное половине номинального. Можно использовать, например, ЛАТР. Если изделие не дымится, не гудит, сильно не нагревается, на первичную обмотку подают номинальное напряжение.

Без нагрузки ток в первичной обмотке трансформатора не должен быть более 5-10% от его номинального значения. Сам трансформатор не должен сильно нагреваться и громко гудеть. Если гудение сильное, следует или стянуть его еще сильнее, или вбить в зазор между пластинами деревянные или пластмассовые пластинки.

Для окончательной проверки к трансформатору подключается номинальная нагрузка, проверяются напряжения на всех обмотках. Если все в норме, трансформатор выдерживается под нагрузкой 3-4 часа. Если гудения, запаха гари нет, а трансформатор не нагревается более чем на 70°C, испытание можно считать успешно завершенным.

Не всегда в продаже можно найти трансформатор с необходимыми параметрами.

Но можно с полной уверенностью утверждать, что требуемое устройство не является чрезмерно сложным, и его можно рассчитать и изготовить самостоятельно.


Автор статьи

Статьи по теме